Формулы Крамера и матричный метод решения систем линейных уравнений не имеют серьезного практического применения, так как связаны с громоздкими выкладками. Практически для решения систем линейных уравнений чаще всего применяется метод Гаусса, состоящий в последовательном исключении неизвестных по следующей схеме. Для того чтобы решить систему уравнений выписывают расширенную матрицу этой системы и над строками этой матрицы производят элементарные преобразования, приводя ее к виду, когда ниже главной диагонали, содержащей элементы будут располагаться нули. Разрешается: 1) изменять порядок строк матрицы, что соответствует изменению порядка уравнений; 2) умножать строки на любые отличные от нуля числа, что соответствует умножению соответствующих уравнений на эти числа; 3) прибавлять к любой строке матрицы другую, умноженную на отличное от нуля число, что соответствует прибавлению к одному уравнению системы другого, умноженного на число. С помощью этих преобразований каждый раз получается расширенная матрица новой системы, равносильной исходной, т. е. такой системы, решение которой совпадает с решением исходной системы.
Рассмотрим метод Гаусса на примерах.
Пример 14. Установить совместность и решить систему
Решение. Выпишем расширенную матрицу системы и поменяем местами первую и вторую строки для того, чтобы элемент равнялся единице (так удобнее производить преобразования матрицы).
.
Имеем Ранги матрицы системы и ее расширенной матрицы совпали с числом неизвестных. Согласно теореме Кронекера-Капелли система уравнений совместна и решение ее единственно.
Выпишем систему уравнений, расширенную матрицу которой мы получили в результате преобразований:
Итак, имеем Далее, подставляя в третье уравнение, найдем Подставляя и во второе уравнение, получим и, наконец, подставляя в первое уравнение найденные получим Таким образом, имеем решение системы
54. Однородные системы линейных уравнений
Однородной системой m линейных уравнений с n неизвестными называется система вида
|
| a11x1 + a12x2 + … + a1nxn = 0
| a21x1 + a22x2 + … + a2nxn = 0
| … … … … … … … … … … …
| am1x1 + am2x2 + … + amnxn = 0
| | | | | (1)
| Эта система может быть записана в виде матричного уравнения
и операторного уравнения
Система (1) всегда совместна, так как:
имеет очевидное решение x10 = x20 = … = xn0 = 0 , которое называется нулевым, или тривиальным;
добавление нулевого столбца не меняет ранга матрицы, следовательно, выполняется достаточное условие теоремы Кронекера–Капелли;
θ О Img ^A , так как Img ^A — линейное пространство.
Естественно, нас интересуют нетривиальные решения однородной системы.
Условие нетривиальной совместности:
Для того, чтобы однородная система имела нетривиальное решение, необходимо и достаточно, чтобы ранг ее основной матрицы был меньше числа неизвестных.
Доказательство см. в книге О.В. Зиминой ``Линейная алгебра и аналитическая геометрия", стр. 77.
Следствие. Для того, чтобы однородная система n линейных уравнений с n неизвестными (матрица системы A — квадратная) имела нетривиальное решение, необходимо и достаточно, чтобы определитель матрицы этой системы был равен нулю ( det A = 0 ).
Общим решением системы линейных уравнений называется формула, которая определяет любое ее решение.
Так как система (1) эквивалентна операторному уравнению (2), то множество всех ее решений есть ядро оператора ^A . Пусть Ker ^A ≠ θ , Rg ^A = r и x1, x2, … , xn − r — базис в ядре оператора.
Фундаментальной системой решений однородной системы (1) называется базис ядра оператора ^A (точнее, координатные столбцы базисных векторов в Ker ^A ).
Это определение можно сформулировать несколько иначе:
Фундаментальной системой решений однородной системы (1) называется n − r линейно независимых решений этой системы.
Будем обозначать координатные столбцы базисных векторов в Ker ^A X1, X2, … , Xn − r .
Теорема о структуре общего решения однородной системы уравнений:
Любое решение однородной системы линейных уравнений определяется формулой
| X = C1 · X1 + C2 · X2 + … + Cn − r · Xn − r,
| (3)
| где X1, X2, … , Xn − r — фундаментальная система решений однородной системы линейных уравнений и C1, C2, … , Cn − r — произвольные постоянные.
Свойства общего решения однородной системы уравнений:
При любых значениях C1, C2, … , Cn − r X , определяемое формулой (3), является решением системы (1).
Каково бы ни было решение X0 , существуют числа C10, … , Cn − r0 такие, что
X0 = C10 · X1 + C20 · X2 + … + Cn − r0 · Xn − r.
| Вывод: Чтобы найти фундаментальную систему и общее решение однородной системы, нужно найти базис ядра соответствующего линейного оператора.
|